工程项目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真710.pdf

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1、z 综合训练项目三 目：永磁同步电机矢量控制调速.系统仿真 学 期：2014-2015 学年第 1 学期 专 业：自动化 班 级：2011 级 1 班 姓 名：官均涛 学 号：1105010105 指导教师：侯利民z 工程技术大学 成绩评定表 评定指标 标准 评定 合格 不合格 矢量控制系统原理 分析充分性 评 仿真模型 搭建合理 疋 仿真结果分析 分析充分性 标 设计报告答辩 容充实 答辩效果 准 总成绩 日期 年 月 日 z 题目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真 目的：通过搭建仿真模型，克服了传统教学中枯燥、抽象、难于理解等弊端，消 化知识单元六中矢量控制的理论知识，达到良好的教学效果。

2、要求:利用 MATLAB/simulink 中的电力系统工具箱搭建 PMSM 矢量控制系统仿 真模型，通过调节 PI 参数，得到良好的动静态性能，观察系统突加减变 负载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况。任务：1、学习永磁同步电机矢量控制技术；2、搭建永磁同步电机矢量控制系统仿真模型；3、调试 PI 调节器参数满足各种工况；4、针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度。成果形式：现场演示+书面报告z 目录 1 永磁同步电动机的矢量控制原理 .1 1.1 永磁同步电动机的矢量控制原理 .1 1.2 永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系 .1 1.3 永磁同步电动机的矢量控制策略 .2 2

3、 永磁同步电动机矢量控制系统 id=0 控制的 simulink 仿真 .4 2.1 永磁同步电动机矢量控制系统的建模 .4 2.2 永磁同步电动机矢量控制系统的 simulink 仿真 .5 2.2.1 空载启动仿真 .5 2.2.2 转速突变仿真 .6 2.2.3 负载突变仿真 .8 3 仿真结果分析.11z 1 永磁同步电动机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电动机的矢量控制原理 近二十多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人 工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高 度。目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。矢量控制实

4、际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。本论文采用按 转子磁链定向的式。由式（16）可以看出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确 定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量 is，而 is的大小和相位又取决 于id和 iq也就是说控制 id和 iq；便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对 应于一定的 id和 iq，通过这两个电流的控制，使实际 id和 iq;跟踪指令值 id和 iq，便实现了电动机转矩和转速的控制。由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流 iA、iB和 ic，因此，三 相电流的指令 i A i B和 ic必须由下面的变换从 id和 iq得到：iA iB i c

5、式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位置传感器提 供。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流 iA、iB和 ic与给定的指令 iA、iB和 ic 一致，从而实现了对电动机转矩的控制。上述电流矢量控制对电动机稳态运行和瞬态运行都适用。而且 id和 iq是各自 独立的；因此，便于实现各种先进的控制策略。1.2 永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系 永磁同步电动机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行 性能受到逆变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值 UHm和相 电流有效值的极限值 I Hm要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限

6、 制。当逆变器直流侧电压最大值为Uc时，丫接的电动机可达到的最大基波相电压 有效值：U lim U厂 芈（2）.3:2.6 cos sin 2 2、2、id（1）cos()sin()3 3 3 iq 2 2 cos()sin()3 3 z 而在 d-q 轴系统中的电压极限值为 Ulim,3U lim:电压极限圆 电动机稳态运行时，电压矢量的幅值：12 2 U.Ud Uq 将式（24）代入式（29）得：U,（Lqiq Rid）2（Ldid f Rliq）2 XqiqRid）L（Xdide。Riq）2 由于电动机一般运行于较高转速，电阻远小于电抗，电阻上的压降可以忽略 不计，上式可简化为 式转子磁

7、路结构时），式（32）是一个以（f/Ld,b）为圆心的圆程，下面以 Ld Lq 为例，将式（32）表示在 idiq的平面上，即可得到电动机运行时的电压极限轨迹-电压极限圆。对某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电流矢量不能超过 该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速的提高，电压极限 椭圆的长轴和短轴与转速成反比地相应缩小，从而形成了一族椭圆曲线。（2）电流极限圆 电动机的电流极限程为：.2.2.2 id iq ilim（6）上式中i|im 3I,im，lim为电动机可以达到的最大相电流基波有效值，式（33）表示的电流矢量轨迹为一以 idiq平面上坐标原点为圆心的圆 电动机运行时

8、，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限圆，也不能 超出电流极限圆。1.3 永磁同步电动机的矢量控制策略 id b时，从电动机端口看，相当于一台它励直流电动机，定子电流中只有 交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，等于90 ，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为 Te P fis (3)Lqiq)2(Ld f)2 2 2 Xqiq)(Xdid eb)（31）以 ulim代替上式中的 u，有（Lqiq）2 当 Ld Lq时，式（32）f)2(ulim/)2 3 疋-个椭圆程，当 Ld Lq时（即电动机为表面凸出(5)(7)z 从图中可以看出，反电动势相量 由与定子电流相量

9、Io同相。对表面凸出示 转子磁路结构的永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大的转矩。或 者说，在生产所需要转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效 率有所提高。这也是表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机通常采用 id o 控制的原因。从电动机的电压程（忽略定子电阻）和转矩程可以得到采用id 0控制时在逆 变器极限电压下电动机的最高转速为式（35）。从式（35）可以看出，采用id 0 控制时，电动机的最高转速既取决于逆变器可提供的最高电压、也取决于电动机 的输出转矩。电动机可达的最高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。按转子磁链定向并使id 0的控制式，对于隐极永磁同步

10、电动机控制系统，定子电流和转子磁通是互相独立的，控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很 宽的调速围，适合于需要高性能的数控机床、机器人等场合。2 永磁同步电动机矢量控制系统 id=O 控制的 simulink 仿真 2.1 永磁同步电动机矢量控制系统的建模 图 9 为id 0控制系统原理图。图中，和 为检测出的电动机转速和角度空 间位移，iA，iB和 ic为检测出的实际定子三相电流值。在图 1 仲采用了三个串联的闭环分别实现电动机的位置、速度和转矩控制。转子位置实际值与指令值的差值作为位置控制器的输入，其输出信号作为速度的 指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器的输入。速度控制器的输出即为

11、 转矩的指令值，转矩的实际值可根据给定的励磁磁链和经矢量变换后得到的 id iq由转矩公式求出。实际转矩信号与转矩指令值的差值经转矩控制器和矢量变换 ej后，即可得到电动机三相电流的指令值，再经电流控制器便可实现电动机的 控制。直流电掠 id 图 8 id 0矢量控制相量图 z 图 9 id 0控制系统框图 根据图 9 利用 Matlab7.6.0 中的 simulink 工具建立永磁同步电动机矢量控制系 统id 0控制的仿真模型，如图 10 所示：z 2.2 永磁同步电动机矢量控制系统的 simulink 仿真 矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制案。本章分析了永磁同 步电动机矢量

12、控制的原理，建立了系统的数学模型，给出了系统的实现案，在 Matlab/simulink 环境下对系统进行了仿真试验。2.2.1 空载启动仿真 指令转速 1000 转/分，空载，启动过程的仿真波形如以下各图所示:z 图 20 转速波形图 图 21 转矩波形图 印 ao?nor O.OG aoe 0.1 o.f2 OLM O.IG o.ts 02 t 图 22 定子三相电流波形图 仿真中，电动机空载启动，t=0.025s 前转速、转矩和电流均大幅震荡，在 t=0.07s 时转速达到稳定值 1000 转/分，稳态误差为 2%。2.2.2 转速突变仿真 指令转速由 1000 转/分突变为 800 转

13、/分，负载转矩 Tm=2N.m，启动过程的 仿真波形如以下各图所示：z 茁00 图 23 转速波形图 图 24 转矩波形图 ao z 图 25 三相电流波形图 电动机负载启动，t=0.02s 前为震荡过程，t=0.02s 到 0.04s，转矩 Te 开始攀 升，并在 t=0.04s 开始稳定波动，由于此间电磁转矩小于负载转矩，所以该时间 段转速下降。t=0.08s 时转速稳定在指令值 1000 转/分，直到 t=0.1s，指令转速突 变为 800 转/分，此时转矩突然下降到 0 下，紧接着 t=0.1s 到 0.11s 是转矩提升过程。伴随转矩变化，转速做出了相应的下降变化，电流突然变小；t=

14、0.11s 后转矩稳 定波动于 2N.m，转速回升，于 t=0.16s 稳定在指令值 800 转/分。2.2.3 负载突变仿真 永磁同步电机的负载突变时，电机的电流、速度、推力等参数都会发生很大 的变化，负载突变特性可为系统的优化设计、控制策略实施、安全运行等提供理 论基础。这里的负载突变指在转速一定的情况下，负载转矩由一个数据突变到另 一个数据。指令转速 1000 转/分，负载转矩由 2N.m 突变为 5N.m，启动过程的仿真波形 如以下各图所示：60 40 20 0 20-4D 0 0.02 0.D4 D.06 D.03 0.1 0 12 0 14 0.16 0.1E 0.2 z 60 2000 1 O.06 04 oa 2 D 图 26 转速波形图 图 27 转矩波形图 z 图 28 三相电流波形图 t=0.1s 前转速、转矩、电流变化与 421 同，当负载转矩在 t=0.1s 突升到 5N.m 时，电动机转速并不受影响，转矩也在 t=0.1s 时达到 5N.m。z 3 仿真结果分析 对于电流 id=0 控制式启动响应速度相对较缓慢，转速有一个比较大的脉动 当空载时，转速，转矩，定子电流都有一个脉动，经过调节，转速能够快速跟踪 给定值。三相定子电流呈正玄波变化，从各中参数的变换可以看出系统能很快稳 定在所设定的参考值下，证明永磁同步电机矢量控制系统的稳定性及调速性能很 好。